燃气比例阀背压管连接结构的设计与应用

刘 桦 王杰盛 蒋小波 张 毅

（1.广东万和热能科技有限公司 佛山 528300；2.广东万和新电气股份有限公司 佛山 528300）

引言

燃气比例阀是恒温燃气热水器的关键零部件，具有稳压和比例调节的作用，其中动铁芯燃气比例阀具有电流与流量线性关系好、流量大的特点。动铁芯燃气比例阀常用于强鼓型燃气热水器，普通的比例阀无背压管连接结构，背压室通过呼吸孔与大气相连。在标准EN 26中，有逐渐堵塞排烟口、进风口时燃气热水器的烟气中CO含量不得超过特定值的要求[1]，因此在逐渐堵塞排烟口、进风口时，烟气中CO、NOx等气体的含量是否可控很关键，普通燃气比例阀往往难以胜任。在动铁芯燃气比例阀上设置背压管连接结构，通过背压管将燃烧室相连，背压室的压力与燃烧室的压力一致。带背压管连接结构的比例阀在逐渐堵塞排烟口、进风口时表现如何，本文进行了研究，并介绍了动铁芯燃气比例阀的背压管连接结构的设计方案。

1 燃气比例阀背压管连接结构的设计方案

1.1 独立连接结构方案

在专利CN208845910U《用于燃气比例阀的背压管连接结构》中，公布了一种独立的背压管连接结构方案，在现有燃气比例阀的基础上新增连接结构，连接结构设置在阀盖与比例调节阀之间，连接结构的一端设置有用于与背压管相连接的连接口，另一端设置有沉台结构，沉台结构处放置密封圈，用于将阀盖与连接结构密封[2]。

该方案的好处是现有结构不用改动，缺点是增加了密封圈和连接结构这两个物料，比例阀的安装工序增加，而且用密封圈密封可靠性较差。

1.2 下阀座连接结构方案

在专利CN103994258B《兼具比例电磁阀调节和燃烧室气压反馈调节的燃气阀》中，公布了一种背压管连接结构设置在下阀座的方案，在下阀座的侧边对应稳压弹簧的位置设置背压管连接结构[3]。

该方案的好处是背压管连接结构与下阀座一体成型，但缺点却很明显，与现有结构不通用，且带连接结构的下阀座无法用纯铁加工成型，导致磁场力比现有结构弱，经过测试，燃气热水器在额定负荷时燃气比例阀的二次压小300 Pa左右（前压为2 800 Pa模式）。

1.3 阀盖与连接结构一体化方案

鉴于上述两种方案都有各自的缺点，因此本文提出一种新的设计方案，将背压管连接结构与阀盖进行一体化设计，将原有的纯铁钣金件阀盖改为压铸铝阀盖，并在新的阀盖上设置背压管连接结构，一体式压铸成型，见图1所示。隔膜与阀盖之间形成背压室，连接结构中部设置连接孔，在背压室与连接孔直接设置有呼吸孔，背压管设置在连接结构与燃气热水器的燃烧室直接，使背压室与燃烧室相通，压力一致。本方案一体化成型，方便快捷，不增加零部件，不增加工序，也无密封圈，安全可靠，二次压也不会下降太多。

2 在燃气热水器整机上的应用

2.1 出气压力与背压的关系

按上述阀盖与背压管连接结构一体化方案组装燃气比例阀，并将该燃气比例阀装在某型号室外型燃气热水器上，燃气热水器的燃烧室相对密封，风机为强鼓式，通过背压管将连接结构与燃烧室相连，此时燃气比例阀的隔膜背压室与燃气热水器的燃烧室的压力一致。

设置好燃气比例阀的低端二次压和高端二次压对应的电流后，从低端开始调节电流档位，记录燃气比例阀的电流与隔膜背压室的压力（背压）、出气压力（二次压）的关系，如图2所示。

从图2中可以看出，在燃气比例阀的电流从75 mA增加到190 mA的过程中，燃气比例阀的二次压与背压均随比例阀电流的增加而增加，用多项式对曲线进行拟合，可以看出二次压、背压与电流的平方相关。比例阀电流增加，铁芯受到的磁场力增加，铁芯带动气门向上运动，阀口开度增加，二次压增加。比例阀电流增加，风机电流会跟随增加，由于燃烧室相对密封，燃烧室的压力增加，背压管将燃烧室与背压室相连，则背压室的压力也增加。

背压管不连接，此时隔膜背压室与大气相通，记录不同电流值时的燃气比例阀的出气压力。可以发现，此时的燃气比例阀的出气压力比连接背压管时的出气压力要小，且连接背压管时的出气压力与不连接背压管时的出气压力的差值，与相应的背压值一致，这是因为，连接背压管时，燃气比例阀背压室与燃气热水器的燃烧室相通，压力一致，随着背压室的压力增加，则隔膜受到向上的力增加，带动气门向上运动，阀口开度增加，出气压力增加。

2.2 堵塞排烟口和进风口实验

为进一步验证上述现象与风机结构和燃烧室状态有关，而与燃气热水器的具体类型无关，将上述阀盖与背压管连接结构一体化方案组装的燃气比例阀安装在某型号平衡式燃气热水器上，同样的，燃烧室相对密封，风机为强鼓式。

背压管不连接，此时隔膜背压室与大气相通，记录逐渐堵塞排烟口和进风口时热水器负荷偏差与风机转速的关系，如图3所示。

从图中可以看出，背压管不连接时，随着堵塞程度的增加，风机转速增加，堵塞排烟口时，风机转速从3 350 r/min增加到3 670 r/min，热负荷下降且下降比例较大，在3 670 r/min时，热负荷下降了14.5 %；而堵塞进风口时，风机转速从3 350 r/min增加到3 700 r/min，热负荷上升，在3 700 r/min时，热负荷上升了4.7 %。也就是说，背压管不连接时，堵塞排烟口与进风口时燃气热水器的热负荷变化趋势不一样，导致在逐渐堵塞时，烟气中CO、NOx等气体的含量不可控。

通过背压管将燃气比例阀的背压管连接结构与燃气热水器的燃烧室相连，此时燃气比例阀的隔膜背压室与燃气热水器的燃烧室的压力一致，记录逐渐堵塞排烟口和进风口时热水器负荷偏差与风机转速的关系，如图4所示。

从图4可以看出，背压管连接时，随着堵塞程度的增加，风机转速增加，堵塞排烟口与进风口时燃气热水器的热负荷均呈下降趋势，且下降比例较小，风机转速从3 350 r/min增加到3 700 r/min，堵塞排烟口时热负荷下降了1.2 %，堵塞进风口时热负荷下降了1.7 %，有利于控制烟气中CO、NOx等气体的含量。

3 结论

介绍了动铁芯燃气比例阀背压管连接结构的设计方案，提出一种新的方案，阀盖与背压管连接结构一体化成型，不增加零部件，不增加工序，也无密封圈，安全可靠，二次压也不会下降太多。燃气比例阀连接背压管时的出气压力与不连接背压管时的出气压力的差值，与相应的背压值一致。经试验研究发现，强鼓型燃气热水器的燃烧室相对密封，背压管不连接，随着堵塞程度的增加，风机转速增加，逐渐堵塞排烟口时，热负荷下降且下降比例较大，而逐渐堵塞进风口时热负荷上升，逐渐堵塞排烟口与进风口时燃气热水器的热负荷变化趋势不一样，导致在堵塞时，烟气中CO、NOx等气体的含量不可控；背压管连接时，随着堵塞程度的增加，风机转速从3 350 r/min增加到3 700 r/min，燃气热水器的热负荷均呈下降趋势，且下降比例较小，堵塞排烟口时热负荷下降了1.2 %，堵塞进风口时热负荷下降了1.7 %，有利于控制烟气中CO、NOx等气体的含量。